基于预编码和概率整形联合优化的光子射频信号生成方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于预编码和概率整形联合优化技术生成光子射频信号的方法。

背景技术

无线接入技术能够通过无线介质将用户终端与网络节点连接起来，因其具有移动性和普适性等优点得到广泛应用。随着第五代移动通信技术5G（5th generation mobilenetworks）的蓬勃发展，以短视频、云计算、物联网为首的互联网大容量数据通信业务对现代无线接入系统的传输容量和传输质量提出了更高的要求，通信系统带宽不足的问题愈发突出。与传统的低频无线信号相比，毫米波频段的高频信号带宽可达270GHz，结合高阶正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）等矢量调制方式能够充分解放紧张的频谱资源，是未来通信系统的关键技术之一。但高频段无线信号的传输会经历更为显著的雨水衰减和大气衰减，造成信号能量及传输性能的损失。

而光纤无线融合RoF（Radio-over-Fiber）技术能够将光纤通信的低损耗和高频无线通信的移动性等优势相结合，通过光子射频信号在光纤链路中的传输，实现大容量、高效率的射频信号有线传输和超宽带无线接入。RoF系统中光子射频信号的生成技术经历数十年的发展后日益成熟，可以分为直接强度调制、光外差技术以及外部调制技术等。对于直接强度调制而言，激光器的弛豫振荡特性和频率啁啾特性限制了其调制带宽，只适用于低频低速传输系统；而光学外差技术相位相干性较差且对激光器性能有极高的要求，会极大地增加系统成本；外部调制法调制效率较高但由于倍频效应，调制信号在解调时会产生严重的畸变，还易受光纤色散的影响。因此，如何低成本地产生高频段、高稳定性、高纯度的光子射频信号也成为研究者的重要方向。

发明内容

针对现有光纤无线融合RoF系统中光子射频信号生成装置复杂，频谱效率低，传输误码性能较差的问题，本发明的主要目的是提供一种基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，通过对待发送信息序列进行概率整形PS（probabilistic shaping）获得整形增益，并对信号的振幅和相位进行预处理以消除数据畸变，联合优化生成高频段、高稳定性、高纯度的光子射频信号，实现在不增加平均光功率的前提下，有效提升光纤无线融合RoF系统的频谱效率和传输容量，降低光纤无线融合RoF系统的传输误码率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，在发射端将概率均匀的二进制信息序列拆分为基本层序列和处理层序列；处理层序列输入分布匹配器DM（Distribution Matcher）生成具有期望概率分布的非均匀符号序列，非均匀符合序列作为信息位经过交织编码实现单象限映射，利用基本层序列和非均匀符号序列结合生成的象限位将单象限映射扩展为全象限符号映射，并将二进制信息序列经过QAM调制转换为概率整形后的高阶PS-QAM信号；利用预编码技术对PS-QAM信号的振幅和相位进行预处理；将联合优化后的调制信号与射频正弦波信号混频后，驱动马赫曾德尔调制器MZM（Mach-Zehnder Modulator）对分布反馈式激光器产生的连续光波实现光载波抑制调制OCS（Optical Carrier Suppression），生成光毫米波信号；光毫米波信号经过光纤链路传输后，利用光电探测器PD（Photon Detecto）拍频获得光子射频信号；光子射频信号经过无线传输后，在接收端通过数字信号处理恢复原始二进制信息序列，实现完整光纤无线融合RoF系统传输，在不增加平均光功率的前提下，有效提升光纤无线融合RoF系统的频谱效率和传输容量，降低光纤无线融合RoF系统的传输误码率。

本发明公开的基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，包括以下步骤：

步骤一：在发射端，将概率均匀的二进制信息序列拆分为基本层序列和处理层序列。

步骤二：对步骤一中拆分获得的处理层序列通过分布匹配器DM处理，得到具有期望概率分布的非均匀符号序列；非均匀符号序列作为信息位经过交织编码，分别对I路、Q路信号进行振幅处理，得到用于实现概率整形的单象限符号映射；非均匀符号序列与基本层序列结合得到象限位，象限位为不同象限符号映射提供对称性，将单象限符号映射扩展为全象限符号映射，即通过上述信息位和象限位联合实现概率星座整形；并将二进制信息序列经过QAM调制转换为概率整形后的高阶PS-QAM信号，获得整形增益使传输系统的信道容量逼近香农极限，同时降低信号发射的平均功率，显著提升传输系统的误码性能。

处理层序列通过分布匹配器DM处理，得到具有期望概率分布的非均匀符号序列；为了生成遵循Maxwell-Boltzmann分布的PS-QAM映射，此时符号概率应满足：

（1），

其中，M为方形QAM调制信号的阶数（16，64，256...），

（2），

将所得具有期望概率分布的非均匀符号序列作为信息位经过交织编码，分别对I路、Q路信号进行振幅处理，得到用于实现概率整形的单象限符号映射；非均匀符号序列与基本层序列结合得到象限位，象限位为不同象限符号映射提供对称性，将单象限符号映射扩展为全象限符号映射，即通过上述信息位和象限位联合实现概率星座整形；并将二进制信息序列经过QAM调制转换为概率整形后的高阶信号，得到出现概率服从Maxwell-Boltzmann分布的PS-QAM信号：

（3），

利用PS-QAM信号的传输系统能够获得整形增益，使传输系统的信道容量逼近香农极限；同时概率整形技术能够降低信号发射的平均功率，显著提升传输系统的误码性能。

步骤三：利用预编码技术对步骤二得到的PS-QAM信号的振幅和相位进行预处理，以避免传输过程中信号产生的幅度畸变和相位失真，得到预编码和概率整形联合优化的调制信号，有效降低传输系统的误码率。

步骤四：将步骤三联合优化后的调制信号与射频正弦波信号混频后驱动马赫曾德尔调制器MZM，使马赫曾德尔调制器MZM对分布反馈式激光器产生的连续光波实现光载波抑制调制OCS，通过光载波抑制调制OCS将射频信号调制于光载波上，生成光毫米波信号。

将联合优化后的调制信号与射频正弦波信号混频，得到频率为

（4），

其中

分布反馈式激光器输出的频率为

（5），

其中

设置MZM直流偏置电压使其工作于最小偏置点以实现OCS调制，生成光毫米波信号，按贝塞尔方程展开得到此时MZM的输出为：

（6），

其中

步骤五：步骤四生成的携带信息的光毫米波信号经过光纤链路传输后，利用光电探测器PD拍频获得光子射频信号；由于PS-QAM信号已通过步骤二概率整形、步骤三预编码，即基于预编码和概率整形对二进制信息序列进行联合优化，使输出所得的光子射频信号满足预设高频段、高稳定性、高纯度的要求，进而保证实现频谱效率显著提升的大容量光纤无线融合 RoF 系统传输，有效降低传输系统的误码率。

携带信息的光毫米波信号经过光纤链路传输后，利用PD拍频获得光子射频信号，表示为：

（7），

其中R表示PD的灵敏度，输出所得光子射频信号的振幅为2

（8），

还包括步骤六： 基于步骤一至步骤五预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号， 所述信号经过无线传输后，在接收端通过数字信号处理恢复原始二进制信息序列，实现完整光纤无线融合 RoF 系统传输并计算系统传输性能。利用所得光子射频信号传输，能够在不增加平均光功率的前提下，有效提升光纤无线融合 RoF 系统的频谱效率和传输容量，降低光纤无线融合 RoF 系统的误码率。

有益效果

1、本发明公开的一种基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，将二进制信息序列拆分为基本层序列和处理层序列，通过信息位和象限位联合实现概率星座整形，并将二进制信息序列经过QAM调制转换为概率整形后的高阶PS-QAM信号，获得整形增益使传输系统的信道容量逼近香农极限，同时降低信号发射的平均功率，提升传输系统的误码性能。

2、本发明公开的一种基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，利用预编码技术对PS-QAM信号的振幅和相位进行预处理，有效避免传输过程中信号产生的幅度畸变和相位失真，得到预编码和概率整形联合优化的调制信号，能够在不增加平均光功率的前提下，有效提升光纤无线融合RoF系统的频谱效率和传输容量，降低光纤无线融合RoF系统的误码率。

3、本发明公开的一种基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，利用光载波抑制调制OCS生成高频段、高稳定性、高纯度的光毫米波信号和光子射频信号，所述信号经过无线传输后，在接收端通过数字信号处理恢复原始二进制信息序列，实现完整光纤无线融合RoF系统传输并计算系统传输性能。利用所得光子射频信号传输，能够在不增加平均光功率的前提下，有效提升光纤无线融合RoF系统的频谱效率和传输容量，降低光纤无线融合RoF系统的误码率。

附图说明

图1为本发明实施例中基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的总体实验系统的结构示意图，图(a)与图(b)分别为经过振幅预编码和经过振幅、相位预编码后的PS-16QAM星座图的示例性示意图，以体现预编码技术优化效果。

图2为本发明的基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号生成方法的流程图。

图3为本发明实施例中未加概率整形和加概率整形分别进行通信后处理得到的16QAM星座图，图3a)为未加概率整形进行通信后处理得到的16QAM星座图，图3b)为加概率整形进行通信后处理得到的16QAM星座图。

图4为本发明实施例中分别经过振幅预编码和经过振幅、相位预编码后的PS-16QAM星座图的示例性示意图, 图4a)为只经过振幅预编码后的PS-16QAM星座图，图4b)为经过振幅、相位预编码后的PS-16QAM星座图。

图5为本发明实施例中经过光载波抑制调制OCS后调制器输出的光谱图。

图6为本发明实施例中同一系统下基于本方法和未使用本方法的RoF系统传输误码率对比图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例

本实施例公开的一种基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，为了使本领域的技术人员能够容易地理解本发明的原理和实施方式，本发明实施例以图1所示的光纤无线融合RoF系统为例，设定为PS-16QAM信号通过标准单模光纤和无线传输的光纤无线融合RoF系统，结合实际应用情况对本发明实施例的工作原理进行说明。图(a)与图(b)分别为经过振幅预编码和经过振幅、相位预编码后的PS-16QAM星座图的示例性示意图，以体现预编码技术优化效果。

如图2所示，本实施例公开的基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号生成方法，具体实现步骤如下：

步骤一：在发射端，将概率均匀的二进制信息序列拆分为基本层序列和处理层序列。

步骤二：对步骤一中拆分获得的处理层序列通过分布匹配器DM处理，得到具有期望概率分布的非均匀符号序列；非均匀符号序列作为信息位经过交织编码，分别对I路、Q路信号进行振幅处理，得到用于实现概率整形的单象限符号映射；非均匀符号序列与基本层序列结合得到象限位，象限位为不同象限符号映射提供对称性，将单象限符号映射扩展为全象限符号映射，即通过上述信息位和象限位联合实现概率星座整形；并将二进制信息序列经过QAM调制转换为概率整形后的高阶PS-16QAM信号，获得整形增益使传输系统的信道容量逼近香农极限，同时降低信号发射的平均功率，显著提升传输系统的误码性能。

设定整形因子

（9），

进而得到：

（10），

将所得具有期望概率分布的非均匀符号序列作为信息位经过交织编码，分别对I路、Q路信号进行振幅处理，得到用于实现概率整形的单象限符号映射；非均匀符号序列与基本层序列结合得到象限位，象限位为不同象限符号映射提供对称性，将单象限符号映射扩展为全象限符号映射，即通过上述信息位和象限位联合实现概率星座整形；并将二进制信息序列经过QAM调制转换为概率整形后的高阶信号，得到出现概率服从Maxwell-Boltzmann分布的PS-16QAM信号：

（11），

未加概率整形和加概率整形分别进行通信后处理得到的16QAM星座图如图3所示，图3a)为未加概率整形进行通信后处理得到的16QAM星座图，图3b)为加概率整形进行通信后处理得到的16QAM星座图。经过概率整形，PS-16QAM信号星座图单象限最内侧点及中央四个星座点信号分布更为密集，最外围四个顶点的星座点信号分布最稀疏。由于PS-16QAM信号服从Maxwell-Boltzmann分布，因此该星座在I/Q两个方向上的投影完全相同，与中央原点距离相等的星座点，拥有相同的概率分布，并且信号平均功率相同。离中央原点越近，信号出现概率越大。利用PS-16QAM信号的传输系统能够获得整形增益，使传输系统的信道容量逼近香农极限；同时概率整形技术能够降低信号发射的平均功率，显著提升传输系统的误码性能。

步骤三：根据PD拍频后光子射频信号与预编码驱动信号振幅和相位的关系，利用预编码技术对步骤二得到的PS-16QAM信号的振幅和相位进行预处理，以避免传输过程中信号产生的幅度畸变和相位失真，得到预编码和概率整形联合优化的调制信号，有效降低传输系统的误码率。

图4为本发明实施例中分别经过振幅预编码和经过振幅、相位预编码后的PS-16QAM星座图的示例性示意图, 图4a)为只经过振幅预编码后的PS-16QAM星座图，图4b)为经过振幅、相位预编码后的PS-16QAM星座图。

步骤四：将步骤三联合优化后的调制信号与射频正弦波信号混频，利用任意波形发生器的数模转换模块转化后驱动马赫曾德尔调制器MZM，使马赫曾德尔调制器MZM对分布反馈式激光器产生的连续光波实现光载波抑制调制OCS，通过光载波抑制调制OCS将射频信号调制于光载波上，生成光毫米波信号。

将联合优化后的调制信号与射频正弦波信号混频，得到频率为

（12），

其中

分布反馈式激光器输出的频率为

（13），

其中

设置MZM直流偏置电压使其工作于最小偏置点以实现OCS调制，生成光毫米波信号，按贝塞尔方程展开得到此时MZM的输出为：

（14），

其中

步骤五：步骤四生成的携带信息的光毫米波信号经过光纤链路传输后利用光电探测器 PD拍频获得光子射频信号。 由于 PS-QAM 信号已通过步骤二概率整形、步骤三预编码，即基于预编码和概率整形对二进制信息序列进行联合优化，输出所得的光子射频信号具有高频段、高稳定性、高纯度等特点， 能实现频谱效率显著提升的大容量光纤无线融合RoF 系统传输，有效降低传输系统的误码率。

携带信息的光毫米波信号经过光纤链路传输后，利用 PD 拍频获得光子射频信号，表示为 ：

（15），/>

其中R表示PD的灵敏度，输出所得光子射频信号的振幅为2

（16），

步骤六：基于步骤一至步骤五预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号，所述信号经电放大器放大后输入至矩形喇叭天线，经过一定距离的无线传输后被相同规模的天线接收。在接收端，接收信号经电压放大器放大后，由数字存储示波器接收，并通过模数转换模块转化为数字信号，进行接收端数字信号处理以恢复原始数据比特流，实现完整光纤无线融合RoF系统传输并计算传输误码率。数字信号处理模块包括：下变频、重采样、恒模算法、盲相位搜索算法、基于判决引导的最小均方误差算法、K-means聚类算法以及解映射。

图6为本发明实施例中同一系统下基于本方法和未使用本方法的RoF系统误码率对比图。利用本发明实施例中基于预编码和概率整形联合优化生成的光子射频信号传输，能够有效降低光纤无线融合RoF系统的误码率。

综上所述，本实施例提供的一种基于预编码和概率整形联合优化生成光子射频信号的方法，通过对待发送信息序列进行概率整形获得整形增益，并对信号的振幅和相位进行预处理以消除数据畸变，联合优化生成高频段、高稳定性、高纯度的光子射频信号，实现在不增加平均光功率的前提下，有效提升光纤无线融合RoF系统的频谱效率和传输容量，降低光纤无线融合RoF系统的传输误码率。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。